新材料与工艺手册

动力电池包轻量化设计技术研究

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发表于 2020-8-24 10:36:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】动力电池包轻量化设计技术研究
宋孝炳 林志宏
在整车电量一定的情况下,电动汽车的续航里程一直是用户重点关注的参数之一,而电动汽车用电池包作为三电系统中的核心部件,其轻量化的设计直接影响整车的续航里程。实现动力电池包轻量化设计主要有两种途径:提高单体电芯的能量密度,优化电池包结构设计,本文主要是针对第二种方式进行阐述轻量化设计的相关技术研究。
关键词 电池包;轻量化;续航里程

节能减排是汽车行业的热门话题,汽车轻量化设计为实现这一目标提供了可能。与传统汽车相比,电动汽车用的电池质量能量密度远小于传统汽车用的石化燃料[1],电池包作为电动汽车中最重要的三电部件之一,其质量在整车中也占有很大的比重,而在不改变电池系统电量的前提下,电池系统质量降低可以有效的提高续航里程。有数据表明,电动汽车质量减10%能提高续航里程5.5%[2]。因此,新能源汽车对轻量化设计更加敏感,直接影响到终端用户的体验度和满意度。电动汽车电池包的轻量化研究是新能源汽车轻量化的主要研究内容之一,实现动力电池包的轻量化主要有两种途径:一是提高单体电芯质量能量密度,二是优化电池包结构设计和新材料的选型。

1 动力电池包轻量化设计思路
动力电池包的主要组成部分就是电池及相关结构辅件,目前单体电芯大多数为锂离子电池,其主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜、铜箔等组成,动力电池包对电芯进行相关的串并联组合方式实现不同的电压和能量,过重的电池包对整车续航能力影响极大。因此,对电池包高比能量的研究是新能源汽车目前的主要研究方向之一,也是实现电动汽车轻量化的主要途径,实现动力电池包轻量化可从两个方向开展:提高单体电芯的能量密度,对电池包相关辅件进行优化设计。

1.1 提高单体电芯的能量密度
目前应用在新能源车上的动力电池主要以磷酸鉄锂和三元材料为正极材料为主,已经大规模产业化应用,磷酸铁锂电池由于其物理特性导致安全性能和循环寿命较三元电池好,国内很多电池厂商都选择此种类型电池,以电池厂商合肥国轩为代表,主要在客车和专用车上为主,其单体比能量一般在120Wh/kg-170Wh/kg之间,但合肥国轩已经做到190Wh/kg以上的质量能量密度,对电池包的轻量化作用明显。三元材料由于其单体能量密度较高,一般可达到180Wh/kg-210Wh/kg之间,很适合乘用车的应用场合,更能满足用户对续航里程的要求,故三元锂电池的应用量也逐渐提升,以电池厂商宁德时代、力神为主。为满足电池包轻量化设计的要求,在选择合适的化学体系材料种类以后,优先采用高容量的正极材料、高容量的负极材料、提高极片中活性物质占比、减轻电芯辅材质量,尽最大可能在满足整车能量的前提下,在保证整车安全性的前提下,选择较大比能量的电芯材质。

1.2 电池包相关辅件的轻量化设计
减轻电池包相关辅件质量是在电芯规格参数确定的情况下,提升系统能量密度的最有效措施,也是考量电池包轻量化设计是否合理的重要指标之一。电池包是电池系统的重要部件,是电池的载体,对保护电池安全和人员安全起到关键的作用,电池包设计需要满足密封性能、防腐性能、防老化性能、抗振性能、耐冲击和碰撞等相关性能[4-5]。电池包中的结构辅件主要有电池箱体、箱盖、塑料件、串联排等相关部件,只有对这些零部件进行优化设计和材质选型、制造工艺优化才能在降低质量的同时,提高整车的续航里程要求。其实现途径为:

图1
1.2.1 电池箱体的材料选型和优化设计
新能源行业在2016年之前,国家标准要求较低,为了降低成本,电池包电池箱大多采用普通碳钢作为电芯载体,在轻量化要求逐渐提高的情况下,现在逐步采用高强度钢铝合金复合材料等材质。高强度钢是指屈服强度在210-550MPa之间的钢材,在相同强度要求的前提下,使用高强度钢可以有效降低电池箱的重量,实现电池包的轻量化,如目前客车标准箱,大多采用高强度钢冲压的形式来实现箱体的设计,满足系统强度要求,保护电池组的同时,电池包重量较轻,能够达到轻量化的目的。铝合金密度低,强度较高,冲击性好,塑性好,耐腐蚀性较好,可加工成各种形状的型材,在满足结构强度的同时,相比钢材,铝合金的重量较低,目前的乘用车箱体大多采购此种材质,如蔚来ES6电池箱体;但是铝合金的焊接工艺性较差,材料价格较高,因此,在铝合金批量应用之前,改善铝合金的成型工艺和降低材料成本是轻量化设计急需解决的问题。复合材料是指两种或两种以上的材料组合所组成的新材料,具有质量轻、强度高和耐腐蚀、耐磨等优点,在汽车行业和航空领域某些零部件将取代金属合金,复合材料按结构特点可分为夹层复合材料、纤维复合材料,其中使用最大的是纤维复合材料,对电池箱质量的减轻较为明显,针对奇瑞微面的电池箱体使用有限元软件分析对铝合金和环氧树脂复合材料两种材料的电池箱体结构强度进行分析,结果表明,电池箱体承载能力没有降低的情况下,质量减少30%左右,且复合材料由于是模具件,产品的一致性较高,品质管控较好。
1.2.2 塑料件的材料选型和优化设计
对于模组的设计,尽量摒弃现存较多的ABS+PC材料的模组框结构,材质可以选择较好的PP或者PE,同样形状的前提下,重量减少10%以上,可满足轻量化设计要求。模组框存在重量较重且不容易散热等缺陷,容易导致高温报警,并且在当前行业快速发展的情形下,生产效率低下,也是其将被淘汰的重要原因。
现所研究的模组,也是将推广的标准模组都是在自动化生产线上操作,生产效率较高,采用打包带预紧,铝合金端板、上盖板压紧后,螺栓固定,整体结构紧凑,能量密度较高。
1.2.3 串联排的材料选型和优化设计
串连排作为电池包高压串并联的重要部件,对其进行材料优选和优化设计可以达到轻量化设计。高压连接使用较多的铜连接片,高压连接性能较好,但是目前将逐渐被铝连接片所代替,在满足过流能力的前提下,质量更轻,成本更低。并且尽量优化设计,考虑整车电池最大电流,不要冗余设计,造成不必要的浪费。一般铜的安全载流量为5-8A/mm2,铝的安全载流量为3-5A/mm2,铝的密度为铜的1/3左右,同样过流要求的前提下,质量可减少30%以上,价格也相对较低。
1.2.4 轻量化制造工艺的优化设计
制造工艺与材料、结构是息息相关的,需要找到相适应的先进工艺来共同实现轻量化[3]。从成形技术、连接技术和表面处理技术这个方面进行分析,也能够在一定程度上减轻电池系统的自重。如成形技术方面,复合材料采用注射、挤压新型工艺代替传统的冲压工艺;连接技术方面:某些受力不大场合的螺栓连接、焊接可以被粘接或者铆接来代替;表面处理方面:利用某些复合材料本身的特性,不需要传统工艺的复杂表面处理,不处理或者简单的表面喷涂来达到表面质量要求。

2 总结
电动电池包的轻量化设计是直接提高整车续航里程的重要措施,而电池轻量化途径主要依靠提高单体电芯质量能量密度和减少电池包辅件质量来实现,在电池包能量已经确认的情况下,对电池包优化设计和材料优选,是轻量化必须要考虑的问题。但是,面对新材料成本高、工艺不成熟等问题,需要提高制造工艺水平来降低材料成本,提高材料利用率,从而实现动力电池包的轻量化设计。

参考文献
[1]史践.电动汽车与轻量化技术 [J].汽车工艺与材料,2011.1:24-29.
[2]周路菡.汽车轻量化:助新能源汽车极致表现[J].新经济导刊,2016,4:55-59.
[3]范军峰,冯奇,凌天均,等.汽车轻量化与制造工艺[J].机械设计与制造,2009,7:141-143.
[4]GB/T 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包河系统第3部分安全性要求与测试方法.
[5]GB/T 4208-2017外壳防护等级(IP代码).



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